UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA GENERACIÓN ENERGÉTICA DE SISTEMAS AGROVOLTAICOS BIFACIALES EN EL VALLE DE LLUTA MEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL MECÁNICO FRANCO VICENTE CLANDESTINO MUÑOZ PROFESOR GUÍA: JOSÉ MIGUEL CARDEMIL IGLESIAS MIEMBROS DE LA COMISIÓN: TOMÁS ÁVILA ARAYA AQUILES SEPÚLVEDA OSSES SANTIAGO DE CHILE 2020 RESUMEN DE LA MEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL MECÁNICO POR: FRANCO VICENTE CLANDESTINO MUÑOZ FECHA: MAYO 2020 PROF. GUÍA: JOSÉ MIGUEL CARDEMIL IGLESIAS GENERACIÓN ENERGÉTICA DE SISTEMAS AGROVOLTAICOS BIFACIALES EN EL VALLE DE LLUTA Las necesidades básicas, en particular las demandas de alimentos y energía eléctrica, asociadas a la gran cantidad de personas que habitan actualmente nuestro planeta, han puesto sobre la mesa la discusión referente a los usos prioritarios que deben ser asignados a las tierras disponibles. Bajo este contexto, surge el concepto de sistema agrovoltaico (APV), el cual combina actividades agrícolas y de generación eléctrica fotovoltaica de manera simultánea sobre un mismo terreno. Esta tecnología se encuentra actualmente ligada a un nivel de investigación y desarrollo, ya que sus impactos sobre las distintas componentes (cultivos y paneles FV) aún no son, del todo, definidas. De tal modo, se propone la implementación de este sistema en el norte de nuestro país, como posible solución a las problemáticas locales identificadas en el valle de Lluta, núcleo agrícola de la región de Arica y Parinacota. Las potenciales ventajas asociadas a esta instalación son: 1) el aumento en la producción de ciertos productos agrícolas, 2) un importante ahorro de agua dado el carácter árido de la zona y 3) la disponibilidad de energía eléctrica para comunidades locales de condiciones precarias. Este trabajo se centra en el impacto de esta instalación sobre el desempeño de la componente energética, compuesta por tecnología fotovoltaica bifacial, la cual aprovecha la cara posterior del panel para una producción energética adicional. Para cumplir con lo propuesto, dos localidades específicas del valle son seleccionadas: en las que son desarrollados los cultivos de berenjenas y cebollas. En adelante, se plantea determinar el impacto en la generación energética, asociado a la instalación de tecnología PV bifacial sobre los suelos agrícolas de cada locación seleccionada. Para lo anterior, se diseña y aplica una metodología adecuada, capaz de estimar la reflexión generada –albedo- por los suelos agrícolas del valle de Lluta. Esta, toma valores experimentales medidos en sitio, comprueba y define su relación con los parámetros de radiación global horizontal (GHI), ángulo azimut y ángulo cenital, determina el efecto de su disposición espacial por medio del factor de visión y considera las consecuencias asociadas a la evolución de sus componentes en el tiempo. El estudio arroja impactos interesantes para la componente energética. La metodología empleada revela entre un 11,42% y un 17,23% de ganancia energética frente al estándar monofacial. Lo anterior asociado a los cultivos cebollas y berenjenas respectivamente. i En memoria de Roberto Román Latorre, por ser fuente de conocimiento e inspiración. ii AGRADECIMIENTOS De más está decir que aquel cabro chico ingenuo, que cruzaba por primera vez la terraza sobria camino a la G-305 en el inicio de aquel marzo de 2013, es totalmente diferente al que hoy, bajo cuarentena, intenta hacer memoria de todo lo vivido en esta linda y larga estadía en Beauchef. Fue dentro de estas murallas donde aprendí, fallé, celebré y sufrí. Donde conocí la enorme satisfacción de conseguir algo producto del esfuerzo y la dedicación de días y -sobre todo- noches de estudio. Así como también, la lapidaria frustración de comprobar que no, que la pauta del auxiliar no tenía errores y que yo, junto a mi recientemente destruida sensación de grandeza, aún nos debíamos una larga noche de pauteo si es que queríamos evitar un rojazo al día siguiente. Aquí disfruté de los mejores carretes universitarios, en los cuales me mandé mil y una cagadas. Participé por primera vez en marchas y manifestaciones, algunas con desenlaces desastrosos. Me enamoré de la cancha de 850, mi lugar favorito de la facultad, donde pude jugar con los Mamarres y los Nicopetiados, e incluso ser campeón con Mecánica y con Puyols, mi equipo de siempre. Formé parte de un grupo increíble enfocado en la integración de los estudiantes extranjeros bajo el arte del carrete. Estuve a punto de tirar la toalla en 4to año y viví la intensa experiencia de algo más que un intercambio en la USP de Brasil. Entre muchas otras cosas. Pero principalmente, Beauchef fue el lugar donde hice amistades increíbles que espero conservar de por vida, y a las que agradezco por hacer de mi etapa universitaria un recuerdo motivo de mil sonrisas. A mis pumahuinos: Martín, Francis y Fefi. A mis amigos de sección: Mono, Bragui, Mame, Rojas, Chamoya, Puyol, Labro, Margi y Oni. A la familia mecánica, en especial a la Paskiwawi, Carlitos y Chopan. A mis amigos mecánicos post-intercambio, en especial al Loco Yévenes y al Doña (ahyia). Y a los que tuve la fortuna de conocer a lo largo de este camino, particularmente a Juanpito, Luli, Chino, Gomi, TNI, Alvin, Pieré, Freddy y Guiraldios. Quiero agradecer también a mis profesores: a Tomacito por comprometerse de verdad con este trabajo y por siempre guiarme como un amigo. Al profesor José Miguel, por aceptar el desafío de tomar un trabajo en la mitad y ayudarme a cerrarlo de la mejor manera. Y a mi Tatamán, por aportar con el punto de vista crítico y exigente de un escritor. Mención aparte merece mi familia, quienes han estado siempre y me han permitido convertirme en el ingeniero desempleado que hoy soy. Gracias a mi mamá por enseñarme lo que es el cariño, a mi papá por siempre apoyarme y aconsejarme, al Coke por dejarme claro lo que significa la incondicionalidad y a mi Ita por llevarme de la mano desde siempre. iii TABLA DE CONTENIDO Capítulo 1: Introducción ................................................................................................. 1 1.1. Objetivos ............................................................................................................ 3 1.1.1. Objetivo general ............................................................................................. 3 1.1.2. Objetivos específicos ..................................................................................... 3 1.2. Alcances y metodología .....................................................................................4 Capítulo 2: Sistemas agrovoltaicos ................................................................................. 7 2.1. Concepto APV .................................................................................................... 7 2.2. El componente fotovoltaico .............................................................................. 9 2.3. La componente agrícola .................................................................................. 10 2.4. Casos documentados ....................................................................................... 14 2.5. El caso en climas áridos ................................................................................... 15 Capítulo 3: Tecnología bifacial PV ................................................................................ 16 3.1 Principales parámetros y variables .............................................................. 16 3.1 Las Tecnologías ........................................................................................... 22 Capítulo 4: Valle de Lluta ............................................................................................. 26 4.1. Contextualización ........................................................................................... 26 4.2. Levantamiento de información – visita al Valle de Lluta .............................. 28 4.2.1. Características sector agrícola .................................................................... 29 4.2.2. Problemáticas ............................................................................................. 29 Capítulo 5: Estimación del albedo ................................................................................ 31 5.1. Etapa 1: Selección de suelos representativos .................................................. 31 5.1.1. Cultivo de cebollas ....................................................................................... 31 5.1.2. Cultivo de berenjenas ................................................................................. 33 iv 5.1.3. Definición de suelos representativos .......................................................... 35 5.2. Etapa 2: Albedo generado por cada componente .......................................... 36 5.2.1. Medición de albedo ..................................................................................... 37 5.2.2. Modelo estimador de radiación reflejada .................................................. 47 5.3. Etapa 3: Estudio de la disposición espacial sobre configuraciones simplificadas ....................................................................................................................................... 55 5.3.1. El factor de visión ....................................................................................... 56 5.3.2. Aplicación ................................................................................................... 57 5.3.3.